生物源农药的创新与利用.ppt

生物源农药的创新与利用张兴,西北农林科技大学无公害农药研究服务中心2013年5月29日,主要内容,一、生物源农药概述二、生物源农药的创新与利用三、问题、前景与展望,一、生物源农药概述,发展生物源农药已成为国际社会的共识，是发展现代农业、农药工业和建设生态文明的迫切需求，是解决食品安全问题的必然选择。,生物源农药：来源于生物、可用作农药（通过登记）的生物活体（生物体农药）和生物活性物质（生物化学农药）以及人工合成的与天然产物结构完全相同的化合物（仿生农药）。,生物农药：直接利用生物活体（微生物、动物、植物）作为农药。如微生物农药、昆虫天敌、Bt棉等。,我国学术界讨论式的定义,我国农药管理部门的定义：我国在农药登记资料规定没有制定明确的生物农药定义标准，主要参考FAO、美国等国际组织或国家的相关标准，通常将微生物农药（microbialpesticides）、生物化学农药（Biochemicalpesticides）、植物源农药（Botanicalpesticide)天敌生物、转基因生物称作为生物农药。(抗生素类在管理上视同化学农药)我们在期待着新“条例”的颁发！,（截止2012年12月的统计结果，包括单剂和混配药剂）,我国生物源农药登记注册情况,国外有的品种我国基本都能生产；我国生物源农药产业的已形成4个拳头产品：井岗霉素、阿维菌素、Bt、赤霉素等，生产规模在世界上处于领先地位；我国还形成一批重要品种，如农抗120、苦参碱、多抗霉素和中生菌素等也举足轻重。以抗生素类农药为主！,其特点是：,我国植物源农药登记注册情况,注：截止到2013年4月的信息资料,从产品登记情况可以看出，目前，我国植物源农药的研发主要是以植物资源的直接利用为主，但是在科研上有以下几个方面很是活跃：活性成分的生物合成-组织培养、细胞培养，从“时”、“空”上解决资源和争地问题；活性成分的人工完全模拟合成，将生物提取转为工厂化化学合成，即仿生合成；将活性成分作为农药前体，进行人工修饰合成，以获取活性更高的化合物而研发出新品种。,微生物源农药登记情况至2012年12月我国已注册登记的各类微生物体农药有效成分23种，包括枯草芽孢杆菌、蜡质芽孢杆菌、荧光假单胞杆菌、木霉菌、淡紫拟青霉、球形芽孢杆菌、苏云金杆菌及昆虫病毒，登记农药产品316个。目前我国有近90家科研院所、大专院校开展微生物农药的研究，大约有200余家生物农药生产企业。,我国微生物农药登记情况,我国抗生素类农药登记情况,植物疫苗免疫诱导剂登记情况,氨基寡糖素长盛不衰，近3年均只有其有登记新证号菇类蛋白多糖（抗病毒1号）历史最悠久,资料截止至2012年12月，资料来源于中国农药信息网,二、生物源农药的创新与利用,主要介绍公益性行业（农业）科研专项课题组（生物源农药创制与技术集成及产业化开发）的近期部分研发结果。,目前，关于动物源农药的研究还比较有限，虽然对蛇毒、蜂毒、蚁毒、沙蚕毒素、斑蝥毒素等动物毒素已有研究，但基本上没有投入市场的产品出现。但活体动物源农药已有登记，如松毛虫赤眼蜂、松质-赤眼蜂等。我们对斑蝥毒素在毒理机制、生物合成路线、化学合成、合理复配、中试工艺、田间药效等方面已做了较为深入的研究，并已取得了一些突破性进展。,（一）动物源农药创新与利用,目前，已对约515%的已知植物进行了生物活性调查，可表现出控制有害生物活性的高等植物达2400余种。其中，具有：杀虫活性的1000多种，杀螨活性的39种，杀线虫活性的108种，杀鼠活性的109种，杀软体动物的8种；,（二）植物源农药创新与利用,对昆虫具有拒食活性的384种，忌避活性的279种，引诱活性的28种，引起昆虫不育的4种，调节昆虫生长发育的31种；抗真菌活性的94种，抗细菌活性的11种，抗病毒活性的17种。,从植物中分离鉴定了几千个对昆虫具有毒杀、驱避、拒食等活性的次生代谢物，然而，仅有少部分被开发成为商品化植物源农药产品。美国登记的主要品种为除虫菊素、印楝素、鱼藤酮、沙巴藜芦碱、烟碱、鱼尼丁和植物精油。与我国不同的是，在美国，植物精油可以不经过登记许可便可以直接生产应用。,目前，植物源农药新品种研发主要集中在：,楝素系列杀虫剂的研制与开发烟碱系列杀虫剂的研究与开发雷公藤杀虫剂的研究与开发非洲山毛豆杀虫剂的研究与开发砂地柏杀虫、杀菌剂的研究与开发植物精油系列杀虫、杀菌剂、保鲜剂的研究,植物细胞培养法生产农药活性物质研究,纯天然源卫生害虫防治剂的研究与开发,植物内生菌的分离与培养及杀虫、杀菌作用研究,植物源除草剂的筛选与研究,植物源杀菌剂的筛选与研究,植物源植物病毒抑制剂的研究与开发,共筛选了2000余种植物，有研发价值的有：杀虫、抑菌：砂地柏、雷公藤、非洲山毛豆、苦豆子、大花金挖耳、瑞香狼毒、孜然、藁本、天明精、蓼子朴、短毛独活、臭蒿、蒙古蒿等,植物精油杀虫、抑菌研究,植物精油可用于多种作物及卫生害虫的防治，并可兼治多种作物病害，还可清新空气，改善小气候环境条件。,家蝇经植物精油制剂处理后的症状,研究了樟油、柠檬草、丁香等80多种植物精油的杀虫抑菌作用，特别是在卫生害虫防控中的应用。有几个配方已接近于应用开发！,植物源农药活性物质的分离,砂地柏（杀虫）：松油烯-4-醇是其精油部分主要熏蒸杀虫活性成分，鬼臼毒素类化合物是其非精油部分主要拒食、胃毒杀虫活性成分。蒿本（杀虫）：细辛醚主要触杀、胃毒和抑制生长发育作用,雷公藤（杀虫）：4种生物碱化合物、5种二萜化合物和1种三萜化合物，其中雷酚-内酯甲醚为分离得到的一种新化合物。瑞香狼毒（抑菌）：3-乙酰化-香树酯醇，同时也得到-3,6-壬二烯酸-4-庚烯酸甘油二酯，初步确定这两种化合物为是其主要抑菌成分。,大花金挖耳（抑菌）：分出了17种化合物，其中2种为分出的新天然化合物，4种化合物为首次从天明精属植物中分离得到。11种化合物的农用杀菌活性为首次报道。,采用活性追踪法从小花假泽兰中分离出17种具杀菌活性的化合物，鉴定出其中15种的结构式。,J1豆甾醇,J2Isabelin,J3去氧薇甘菊内酯,J4scandenolide,J5二氢微甘菊内酯,J6Mikanin,J7泽兰黄酮,J8木犀草素,J9-胡萝卜苷,J12Mikanokryptin,J101,6-二羟基桉烷-4(15)烯,J11桉烷-4(15),7(11)-二烯-12,8-内酯,J13桉烷-4(15),7(11)，8(9)-三烯-12,8-内酯,J14-谷甾醇,J15微甘菊内酯,生物源农药活性化合物修饰合成及构效关系研究鬼臼毒素：合成了130余种衍生物，运用Mopac6.0程序，分析表明反式内酯环、4位取代基对杀虫活性影响较大，并采用量子化学的方法获得了相关性较好3个结构与活性的定量方程式。,右图为鬼臼毒素，圆圈及箭头所指位置为改造位点,生物源农药活性化合物修饰合成及构效关系研究松油烯4醇：合成了70余种衍生物，建立了触杀活性和熏蒸活性两种情况下的定量结构活性关系模型。,松油烯-4-醇,砂地柏、大花金挖耳、除虫菊内生菌研究从砂地柏中分离纯化得到130株内生菌，发现6株菌可产鬼臼毒素类化合物；从大花金挖耳中分离出92株内生菌，其中16株均具有较强的抑菌活性；从除虫菊中也分离出了50多种内生菌。,烟草细胞悬浮和发状根培养体系的建立，通过细胞悬浮培养生产的烟碱含量达培养物干重的2.05%，发状根培养烟碱含量达培养物干重的4.05%。建立了雷公藤、除虫菊、长春花愈伤组织和细胞悬浮培养体系；已初步筛选出砂地柏、非洲山毛豆、印楝等细胞培养株系。,植物细胞培养与新农药开发,这项工作目前在个别植物品种上的试验技术已经基本成熟，现正处于设备的研究、改进和工业化生产工艺研究阶段。希望能在一、两年内建厂试生产。,经多年研究，试制出植物源病毒防治剂VFB,植物源植物病毒抑制剂,经过近八年的研究，我们已基本搞清楚了其作用机理和有效成分，现正在进行制剂和工艺研究。,田间应用表明，VFB对番茄、烟草、瓜类、辣椒及多种花卉病毒病具有良好的预防和治疗作用，还可刺激作物生长、提高农产品品质，且对化学农药所致的农产品污染有显著的减轻作用。,植物源杀蚜剂、杀螨剂的研制,经过多年的努力，终于研制出了不含任何化学农药的杀蚜剂、杀螨剂，目前正在进行中试、示范、推广。同时，还研制出了纯植物源的枸杞、烟草、果蔬专用杀蚜剂、杀螨剂，目前正处于中试阶段，有的已经产业化。,植物源保鲜剂研究,以植物次生代谢物质为材料，开展了植物源果蔬保鲜剂的研究，已获得了2个较好的小试产品。结合“气调控制”，可显著延长鲜果、鲜菜的贮藏时间。,采用废物综合利用-农业措施-生物技术相结合的思路和实践来保健植物-防治病害,应用堆肥化的方法处理植物农药残渣，生产出生防拮抗菌-绿色木霉菌孢子制剂。并利用“两步发酵法”堆制出可防治多种植物病害的多功效有机肥。,将废物综合利用、农业措施与生物防治有机地结合起来，形成防治植物土传病害的一个新途径。,农药活性植物调查,2000余种植物,十万大山乐业天坑群,中国特色植物生态隔离植物,构建农药活性植物资源库,农药活性植物调查（华南农业大学）,印楝素环保增效型乳油生产工艺优化与批量生产,优化形成0.5%印楝素环保增效型乳油批量生产工艺，并进行批量试生产，完成对菜青虫、甘蓝蚜和柑桔红蜘蛛等害虫的田间小区和大田药效试验。,（华南农业大学）,Bacillusthuringiensis(Bt)（湖北国家生物农药工程研究中心）,Bacillusthuringiensisvar.aizawaivar.kurstakivar.israelensisvar.tenebrions,BacillussphaericusTs-1,Bs-10,C3-41Bacilluspopilliae,（三）微生物体农药创新与利用,已商品化的菌种,国际上商业化的100余种生物杀菌剂中，70%的品种以木霉菌成分为主。年均市场销售额达到2.5亿美元。SoilGardBlueCircleEpicPlanterBoxTrichodexRootshield,木霉菌,木霉菌菌种保藏管理中心网站，网址：http:/index.aspx,木霉菌菌种保藏管理中心首页,信息库结构：1、常见木霉菌菌种的分类鉴定检索：已知和未知种名检索2、菌种资源库信息查询3、常见木霉菌菌种订购、保藏以及对外服务,上海交通大学木霉菌资源保藏中心，能利用计算机自动检索系统，高效快速鉴定和检索木霉菌，在国内尚属首例。,木霉菌（上海交大）,建立拮抗木霉菌生防功能因子综合评价体系（上海交大）,木霉菌GDFS1009对黄瓜枯萎病的防治,木霉菌ZJSX5003对玉米苗期茎腐病的防治,创制出了多功能木霉菌剂,木霉菌剂防治蔬菜和玉米土传病害,小青菜苗病的防治作用,黄瓜枯萎病防治,玉米茎腐病的防治,对照,木霉,对照,木霉,（上海交大）,1.建立了芽孢杆菌菌种资源库,分离培养,纯化,转管,甘油保存,长期保藏,保藏菌株30152株，具有防病活性的菌株5023株,芽孢杆菌的研究（中国农大）,2.构建了高效菌株高通量筛选模型（中国农大）,菌株活化,拮抗性测定活性物质检测PCR检测生物膜检测,微型植株法离体叶片法,田间试验小区试验,获得高效防病菌株36株,竞争抑制病原菌增殖定殖转移、芽孢杆菌与病原菌等微生态互作,诱导植物产生抗病性PAL,SOD等酶类,次生代谢产物抑菌作用抑菌蛋白Bacisubin等，脂肽类物质,3.利用现代生物技术揭示了芽孢杆菌活菌及其代谢产物防治植物病害的机理（中国农大）,种子发酵罐,发酵罐,发酵液膜过滤,芽孢杆菌粗品,干燥,废水回用,变温处理促进芽孢形成,低泡沫发酵培养基,膜过滤保留代谢产物,添加环保型助剂增效,活化,菌株培养,4.创建了具有自主知识产权的芽孢杆菌规模化生产新工艺（中国农大）,发酵,新型稻纵卷叶螟专用真菌杀虫剂的创制,杀稻纵卷螟的专化性菌株：莱氏野村菌CQNr126；杀稻纵卷螟和稻飞虱的广谱菌株：绿僵菌CQMa421。,部分供试菌株：分离自感病稻纵卷螟的莱氏野村菌,虫生真菌农药（重庆大学）,虫生真菌农药生产工艺与成套装备可减少人工80%以上,（重庆大学）,杀稻纵卷叶螟真菌制剂的田间防效,2010-2012年，在广西崇左、重庆秀山等地采用超低容量喷雾技术，对研制的25%杀稻纵卷叶螟绿僵菌油悬浮剂、25%杀稻纵卷叶螟莱氏野村菌油悬浮剂进行稻纵卷叶螟田间防治实验，校正虫口减退率60-80%。高剂量用药（22.5g孢子/亩)的防效和增产效果接近化学农药。,杀稻纵卷叶螟真菌制剂的田间防治试验,广西崇左,重庆秀山,（重庆大学）,利用不产毒素的黄曲霉菌防治农产品黄曲霉毒素的污染是世界上唯一成功应用的黄曲霉毒素生物防治技术，我国在相关研究方面仍是空白。,美国EPA批准的两个产品：菌株NRRL21882（afla-guard），CircleOneGlobal,IncAF36:ArizonaandCalifornia,不产毒素的黄曲霉菌（浙江大学）,浙江大学分离鉴定出不产毒素AF051菌株，其毒素合成基因簇大片段缺失,该菌株获得国家发明专利：一种不产黄曲霉毒素的黄曲霉菌株及其用途，200801120929.2,（浙江大学）,AF051对黄曲霉毒素防治效果,（浙江大学）,植物免疫诱导激发子（蛋白诱抗剂）农药的研究是近年来生物农药发展的一个新的研究热点。其可通过激发植物自身的抗病功能基因表达，增强植物对病害的免疫能力、诱导植物自身抗性、促进植物生长、增加农作物产量、提高农产品的品质。,（四）植物疫苗类农药创新与利用,植物“疫苗”概念的提出,（中国农科院植保所）,植物疫苗,非生物elicitor,生物源elicitor,生物体,生物性,真菌、细菌、病毒,葡寡糖木葡寡糖寡聚半乳糖醛酸几丁寡糖壳寡糖卡拉胶寡糖,糖类,多肽、蛋白类,脂类,糖蛋白,多糖类,寡糖类,菇类糖蛋白,寡肽类,脂多糖,蛋白类,果胶、甲壳素、几丁质等,系统素,鞭毛蛋白,化学性,水杨酸、茉莉酸、脱落酸、BTH等,植物疫苗分类图,核苷类,（中国农科院植保所）,建立了激活蛋白规模化发酵工艺,发酵生产：6吨、40吨罐,（中国农科院植保所）,LS20091262：国内首次登记的具有自主知识产权的蛋白质农药,蛋白质农药登记及田间应用,（中国农科院植保所）,1、利用基因工程技术，研究构建系列糖苷酶工程菌，制备高效、特异性强的天然多糖降解酶；2、以自然界天然多糖为原料，利用现代生物化工新技术，研制具有我国自主知识产权的新型生物农药、植物促生长剂新产品；3、研究寡糖植物疫苗应用技术集成控制农作物病虫害系统；4、研究寡糖植物疫苗作用机理。,寡糖植物疫苗创新与利用,（中科院大连化物所）,天然寡糖开发及寡糖库建立,生物酶法等水解,通过柱层析、HPLC、逆流色谱等手段及IR、MS、NMR等确定结构,甲壳素、海藻酸卡拉胶、琼脂糖菊粉、阿拉伯胶田箐胶、黄原胶木聚糖、瓜尔胶岩藻聚糖、果胶香菇多糖、魔芋透明质酸、肝素亚麻胶、壳聚糖等六十余种天然多糖,系列半乳糖醛酸寡糖等寡糖单体系列几丁寡糖、系列海藻胶寡系列卡拉寡糖、系列琼脂寡糖系列果寡糖、系列阿拉伯寡糖系列半乳甘露寡糖、系列木寡糖系列黄原胶寡糖、瓜尔胶寡糖系列岩藻寡糖、系列香菇寡糖系列甘露寡糖、系列肝素寡糖系列亚麻胶寡糖、系列壳寡糖,天然寡糖及其衍生物库,各种系列寡糖混合物,构建天然寡糖及其衍生物库。其中包含1000种寡糖组分及200种寡糖单体,各种衍生化反应,（中科院大连化物所）,（中科院大连化物所）,高活性壳寡糖（DP3-8)制备工艺,（中科院大连化物所）,（五）微生物农药农业行业标准,(农业部药检所),2013年农业行业标准制定和修订(农产品质量安全),(农业部药检所),(已经制定好准备提交的“标准”),四、问题、前景与展望,研究、发展生物源农药，是发展无公害、绿色、有机食品的技术和物质的基本保障；是提高人们自身生存环境生态质量的重要措施；是体现一个国家、地区科学技术水平的衡量标准。研发新型、安全、环保、高效、经济的生物源农药肯定会受到社会的青睐和人们的欢迎！,1）研究开发与生产脱节（厂家多没有研发机构，研发单位只重视学术水平，追求SCI文章）2）产品生产工艺和制剂加工研究比较落后，产品质量稳定性较差3）很多生物源农药品种缺乏统一的产品质量标准，原（母)药全分析困难4)科研成果难以快速商品化（研究人员、单位多而分散，科研经费和设备投入不足。生物农药企业与科研单位联系不够紧密）,我国生物源农药研究和产业发展中存在的问题,5）部分生物源农药的归属和判定标准有待明确，给产品登记、管理和推广带来一定困难6）企业生产规模小而分散，品种单一（缺乏的总体规划和中长期指导性规划及政策。我国78%的生物农药企业为中小型企业，易受市场冲击）,1、得到政府高度重视和支持；2、我国生物源农药种类较丰富；3、使用量逐年增加，在无公害、有机农业中发挥了重要作用；4、涌现了一批实力较强的生物源农药企业；5、对生物源农药的管理要求更加科学，已建立了部分生物源农药产品的行业标准或国家标准。,当前生物源农药发展形势分析,国家“十五”科技攻关-“生态农业”重大专项中的便设有全国招标项目“无公害农药关键技术研究及产业化开发”“西北农林科技大学无公害农药研究服务中心”中标。,“十一五”中，在公益性行业（农业）科研专项中又重点资助了“生物源农药创制与技术集成及产业化开发”项目。于2009年正式启动。该项目由“西北农林科技大学”牵头，联合北京、辽宁、湖北、广东、江苏、浙江、重庆、上海等地12所高校、科研院所和植保部门共同申报并获批。,植保-农药-无公害农药-生物源农药足以显示出国家对这一研发领域的重视程度！,国家在科研项目的资助中，先后从,一、新型生物源农药品种研制、及中试基地和示范基地建设；二、生物源农药活性物质生物合成研究；三、生物源农药新产品工程化配套与应用技术集成；,“行业专项”的主要研究内容为：,四、生物源农药质量评价体系的建立与标准化；五、生物源农药环境安全性评价体系的建立；六、具农药活性的生物资源库（共享平台）构建。,该项目的主要特点是创新性和公益性-服务于社会！,体制创新探讨,于2010年初成立了：“生物农药与